雷达与通信技术的迅速发展对高性能微波吸收材料提出了更高要求。现有的导电聚合物、介电陶瓷和磁性材料在高温环境下均面临稳定性不足的问题，其中导电聚合物热稳定性差，磁性材料受限于较低的居里温度，而介电陶瓷虽具优异热稳定性，但其吸波行为对温度高度敏感，温度诱导的复介电特性变化会导致阻抗失配，从而削弱宽温区吸收性能。

为改善吸波能力，研究者尝试通过物理混合或原位生长构筑多相复合结构，但物理接触界面与化学键合界面在微结构、极化与导电损耗上的差异及其对宽温介电响应的影响仍不明确。与此同时，陶瓷气凝胶因其轻质、可调介电特性与良好隔热能力而受到关注，但其力学稳定性差，在循环载荷和高温环境下易发生结构退化和力学失稳。因此，开发兼具强界面结合、优异力学稳定性及宽温域高效吸波能力的陶瓷气凝胶，已成为当前亟待突破的关键科学挑战。

近日，北京航空航天大学刘晓芳教授团队在期刊《Adv. Funct. Mater.》上，发表了最新研究成果“Interface Chemical Welding by Nanoparticles Endow Ceramic Aerogels with Broad-Temperature Microwave Absorption and Thermal Insulation”。文章提出了一种原位“化学焊接”策略，利用 Ti2SnC 衍生的 TiO2/SnO2 复合纳米颗粒作为“焊接剂”，将 SiC/SiO2 核壳纳米纤维网络进行有效连接。该策略通过在相邻纤维间构筑牢固的化学键显著提升了力学性能，在 150 次循环压缩后压缩强度提高33%，塑性形变降低 88%。

实验结果与理论计算揭示了化学键合界面与物理接触界面在调控微波吸收机理上的根本差异。化学界面在增强内建电场、促进电荷分离与载流子传输、以及优化介电常数的温度响应方面均表现出显著优势。所制备的 SiC/SiO2@TiO2/SnO2 气凝胶在仅 1.8 mm 的超薄厚度下，从 298 K 到 1073 K 始终保持反射损耗低于 –20 dB，其性能优于已有报道的陶瓷气凝胶。此外，该气凝胶还具有优异的隔热性能，在红外隐身领域展现出良好应用前景。这种化学焊接方法是一种可普适用于构筑高性能气凝胶的通用纳米技术策略。

图1. (a) SS@TS 气凝胶的制备示意图；(b) C 泡沫、(c) SiC 气凝胶、(d) SiC/Ti2SnC 气凝胶和 (e) SS@TS 气凝胶的 SEM 图像；(f) SS@TS 气凝胶的 EDS 元素分布图；(g) SS@TS 气凝胶立于狗尾草上的实物照片。

SS@TS 气凝胶的构筑采用两步协同策略：首先通过化学气相沉积（CVD）制备 SiC 纤维网络骨架，其后利用 Ti2SnC 的原位分解氧化实现纤维节点的化学焊接。整体流程如图 1a 所示。第一步中，以碳化三聚氰胺泡沫为碳源（图 1b），获得 SiC 纳米纤维（S）气凝胶（图 1c）。第二步中，将 Ti2SnC MAX 悬浮液引入 SiC 气凝胶。得益于气凝胶连续的多孔结构与毛细作用，Ti2SnC 微粒能够均匀渗入纤维网络，并优先富集于纤维交叉节点（图 1d）。随后，Ti2SnC 在原位氧化生成 TiO2/SnO2 复合纳米颗粒，这些颗粒在节点处局部熔融并固化，形成类似焊点的强连接结构（图 1e），显著提升骨架稳定性。同时，SiC 纤维表面在高温空气中形成致密的 SiO2 壳层（图 1f）。最终得到的 SS@TS 气凝胶（图 1g）由 SiC/SiO2 核壳纤维组成主骨架，TiO2/SnO2 颗粒均匀焊接于纤维节点，因而超轻且可稳定置于狗尾草穗上。为对比原位焊接效应，另制备物理混合 TiO2/SnO2 的对照样品 SS-TS 气凝胶，其颗粒仅吸附于 SiC/SiO2 表面。

图2. (a) SS@TS 与 SiC/Ti2SnC 气凝胶的 XRD 图谱；(b) Sn 3d、(c) Ti 2p 和 (d) O 1s 的高分辨 XPS 谱图（对比 SS-TS 与 SS@TS）；(e–i) SS@TS 与 SS-TS 气凝胶中不同界面区域的 HRTEM 图像。

图 2a 显示，SiC/Ti2SnC 在高温下已完全转化为 TiO2/SnO2，并伴随无定形 SiO2 的生成。XPS 结果表明 Sn 与 Ti 均为氧化态且不含金属成分，进一步验证了 Ti2SnC 的彻底转化。图 2b–c 中 Sn 3d 与 Ti 2p 峰位的红移和蓝移反映了 TiO2 与 SnO2 之间经 Ti–O–Sn 键发生电子转移，并引入氧空位；图 2d 的 O 1s 化学位移则指示界面处形成了稳定的 Si–O–Ti 与 Si–O–Sn 键。TEM 结果显示，图 2e–f 中纤维具备约 20 nm 的 SiC@SiO2 核壳结构；图 2g 进一步揭示 TiO2/SnO2 颗粒之间存在具有晶格畸变的原位化学界面；图 2h 说明 TiO2/SnO2 与 SiO2 壳层之间同样形成化学键。而图 2i 表明，对照样品 SS-TS 的颗粒与基体之间仅为物理接触。因此，SS@TS 气凝胶依托原位生成的多重化学界面构筑了丰富的异质结与缺陷结构；相比之下，缺乏化学键合的 SS-TS 对照样品界面结合显著减弱。

图3. (a) SS@TS 气凝胶的三维 RL 图和 (b) 二维 RL 图；(c) S、SS、SS-TS 与 SS@TS 气凝胶的 RLmin、EAB 及厚度对比；(d–e) S、SS、SS@TS 与 SS-TS 气凝胶的复介电常数随频率变化曲线；(f) S、SS、SS-TS 与 SS@TS 气凝胶的 εp'' 与 εc''。

如图 3a–b 所示，S 气凝胶的吸波性能最弱；形成 SiO2 壳层后，SS 气凝胶的最小反射损耗（RLmin）明显提升。进一步加入物理混合的 TiO2/SnO2 后，SS-TS 的 RLmin 虽略有改善，但有效吸收带宽反而缩窄。相比之下，SS@TS 气凝胶由于具备原位化学焊接结构，其电磁衰减能力大幅增强，表现出 –66.2 dB 的 RLmin，并实现几乎覆盖整个 X 波段的宽频吸收（图 3c）。吸波性能的差异可从电磁参数变化得到解释：图 3d–e 显示，各样品的 ε' 与 ε" 随频率升高而下降，其中 ε"(S) 最大；而在 ε" 值上，SS@TS 明显高于 SS-TS，表明其能量耗散能力更强。基于 Debye 理论分析，图 3f 显示 S 气凝胶主要依赖导电损耗，而 SiO2 壳层的引入降低了导电性并增强界面极化。复合氧化物的进一步引入优化了电磁参数，SS@TS 在 εp'' 与 εc'' 上均显著高于 SS-TS，说明化学键合界面相较于物理接触界面能够提供更有效的电磁能量耗散通道。

图4. (a) 差分电荷密度分布；(b) 不同异质界面的计算偶极矩及 Bader 电荷转移量；(c) TiO2–SiO2、TiO2@SiO2 和 TiO2-x@SiO2-x 的静电势分布；(d) TiO2、TiO2–SiO2、TiO2@SiO2 和 TiO2-x @SiO2-x 的态密度；(e) 气凝胶中微波吸收机制示意图。

为揭示物理接触与化学键合界面对介电损耗的差异，我们构建典型界面模型并开展 DFT 分析。图 4a 显示，物理接触的 TiO2–SiO2 界面仅发生微弱电荷迁移，而化学键合的 TiO2@SiO2 及含氧空位的 TiO2-x@SiO2-x界面则表现出显著的电荷重构和更强的界面极化。图 4b 表明 TiO2-x @SiO2-x的界面电势差最大，说明氧空位与化学键协同增强了内建电场。进一步地，图 4c 显示 SS@TS 的界面偶极矩和电荷转移量均远高于 SS-TS，证实化学键可有效促进极化损耗；图 4d 则表明化学键的形成能够减小界面带隙，而氧空位会进一步引入带隙内态，提高界面电导并强化导电损耗。基于上述结果，图 4e 总结了 SS@TS 的微波吸收机制：SiO2 壳层与复合氧化物的引入改善了阻抗匹配；大量化学界面构建强内建电场并增强界面极化；而界面缺陷进一步提升偶极响应与导电损耗，从而协同赋予 SS@TS 卓越的微波吸收性能。

图5. (a) S、SS、SS-TS 和 SS@TS 气凝胶在 1073 K 下的二维 RL 等高线图；(b) SS@TS 气凝胶在 298–1073 K 的 RL 曲线；(c) SS@TS 气凝胶与其他陶瓷材料的宽温域微波吸收性能对比；(d) σ 值及 (e) S、SS、SS-TS 和 SS@TS 气凝胶在 298–1073 K 下的 ln(τ)–T-1 曲线；(f) 气凝胶在 298–1073 K 范围内 ε″c 和 ε″p 的相对变化；(g) SS、SS-TS 和 SS@TS 气凝胶在 298–1073 K 下的 ε″p/ε″ 比值；(h) S、SS、SS-TS 和 SS@TS 气凝胶涂覆样品在 1073 K 的 RCS 曲线。

图 5 对气凝胶在 298–1073 K 范围内的微波吸收性能进行了系统评估。图 5a 显示，SS@TS 在全温区的反射损耗均明显优于 S、SS 与 SS-TS；图 5b 进一步表明，其在 1.8 mm 的超薄厚度下仍能维持 RLmin < –20 dB 的稳定吸收能力。与文献材料的对比（图 5c）显示，SS@TS 在宽温适应性和单位厚度吸收能力方面均具有突出优势。温度对吸收行为的调控主要源于介电参数的变化：图 5d 显示，SiO2 壳层能够有效抑制电导随温度急剧提升；图 5e 则表明 SS@TS 的弛豫时间 τ 对温度更为敏感，展现出显著的热激活极化效应。由于导电损耗与极化损耗对温度的响应差异，图 5f 说明 SS@TS 同时具备最低的导电损耗温敏性与最高的极化损耗温敏性；图 5g 进一步证明其在全温区均保持超过 62% 的极化损耗占比，从而确保材料在高温下仍具有强劲而稳定的微波衰减能力。RCS 模拟结果（图 5h）显示，SS@TS 能显著降低 PEC 板的雷达散射截面积，验证了其在高温环境下优异的电磁隐身潜力。

图 6. (a) SS、(b) SS-TS 和 (c) SS@TS 的循环压缩应力–应变曲线；(d)气凝胶在第10、50、100和150次压缩循环下的杨氏模量；(e) 气凝胶在 150 次循环后的压缩应力保持率和塑性形变；(f) SS@TS气凝胶在循环测试后的可压缩性与柔性展示照片；(g) SS@TS气凝胶在热循环测试中的压缩应力–应变曲线；(h) 不同气凝胶中纤维的模拟表面应力；(i) SS@TS气凝胶的温度随时间变化曲线，插图为红外隐身应用；(j) 各类微波吸收气凝胶综合性能对比。

图 6 对气凝胶在高温环境下的结构与性能稳定性进行了评估。图 6a–c 显示，SS@TS 的初始压缩强度显著高于 SS 和 SS-TS，说明化学焊接有效增强了纤维间连接。图 6d–e 表明，SS@TS 在 150 次循环压缩后仍保持最高的应力保持率和最小的塑性形变，展现出优异的结构耐久性；图 6f 进一步显示其在多次压缩后依旧保持良好柔性，而图 6g 显示其应力–应变曲线在 20 次热循环后仍无明显衰减。基于 COMSOL 的应力分布模拟揭示了强化机制：图 6h 表明化学焊接可显著缓解纤维节点的应力集中，从而提升整体力学稳定性。得益于材料的高孔隙率，气凝胶具备优异隔热性能。图 6i 显示，在基底加热至 373 K 时，样品表面温度仅上升至 313.1 K，并呈现清晰的温度梯度，表明其良好的隔热能力，也使其具备降低红外辐射的潜力，可用于热成像隐身与热防护。最后，图 6j 将本工作与已有文献材料进行对比，结果显示 SS@TS 在工作温度范围、反射损耗、密度及导热系数等方面均展现出更优的综合性能。

论文链接： 

https://doi.org/10.1002/adfm.202524866

人物简介：

刘晓芳，北京航空航天大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。主要研究领域为电磁功能材料和储氢材料，作为第一/通讯作者在Nat. Catal., Nat. Commun., Matter, Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano等期刊发表SCI论文近百篇，H因子47；授权国家发明专利十余项；主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、北京市自然科学基金、北京市科技计划课题、航空科学基金、企业技术攻关项目等二十余项；担任《InfoMat》、《Nano-Micro Letters》、《Rare Metals》期刊青年编委。

于荣海，北京航空航天大学教授，博士生导师。主要从事磁性功能材料和储氢材料等方向的研究。主持国家自然科学基金重点项目、科技部国际合作重点项目等30余项。在国际刊物发表SCI学术论文200余篇, 国际会议邀请报告10余次。获批国家发明专利10余项、国际发明专利3项。 担任中国稀土学报<中英文>版编委， Nature’s Group 学术刊物《Asia Materials》编委。2005年获国家杰出青年科学基金。

水江澜，北京航空航天大学教授，博士生导师，国家级领军人才（2022）。目前研究聚焦氢能与燃料电池，主要包括制氢催化剂、储氢材料、燃料电池电催化剂。迄今已发表SCI论文100余篇，包括Science, Nat. Nanotech., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊，授权发明专利6项。主持中组部青年项目（2015）、科技部氢能重点专项课题（2021）、国家自然科学基金面上项目（2016, 2019）和地区联合基金重点项目课题（2021）、北京市自然科学基金重点研究专题课题（2020）。担任《Nano Research Energy》期刊青年编委，中国电机工程学会氢能技术专委会委员，中国内燃机学会燃料电池发动机分会委员等。